Electronique et microscopie 2 :


Tout ce que vous auriez voulu savoir (ou presque), sur les leds

…sans oser le demander

 


L’utilisation des LED ‘Light Emitting Diode’ - en français : DEL (Diode Emettrice de Lumière ) - en particulier blanches, est devenue fréquente en microscopie d’amateur (nettement moins – pour l’instant - en microscopie professionnelle ). Le but de cet article est de répondre à des questions légitimes qui reviennent souvent et de permettre d’utiliser les LED au mieux et sans danger pour elles !

L’avantage principal d’une led blanche est l’émission d’une lumière  " froide " contenant très peu de rayonnement infra rouge puisque la lumière n’est pas produite par un corps porté à très haute température comme dans le cas d’un filament d’ampoule. Cette lumière froide est indispensable lorsqu’on utilise un système de prise de vue SANS son objectif d’origine (Web cam..) car le filtre Infra rouge est en général intégré à l’objectif. En effet les capteurs d’images sont très sensibles aux radiations IR et un excès de ceux ci va donner une image saturée et délavée. Le graphique ci dessous donne la sensibilité spectrale relative de l'oeil et du CCD.




La deuxième raison est , que la lumière froide permet de ne pas réchauffer la préparation, ce qui est particulièrement utile dans le cas d’observation d’ individus vivants en milieu liquide (moindre évaporation,pas de concentraion en sels due à celle ci (eau de mer) etc..)

La troisième raison pourrait être que la surface d’émission de lumière de la led se rapproche le plus d’une surface plane qui peut être précisément centrée dans l’optique du dispositif d’éclairement

Quatrième raison : très longue durée de vie et moindre fragilité qu’une ampoule, meilleur rendement …sans parler du coût !

Inconvénient : flux lumineux inférieur à celui d’une ampoule halogène ce qui peut être gênant pour la prise de vue aux forts grossissements.

Mais pour tirer le meilleur parti de ces composants encore faut il connaître leur principe et leurs caractéristiques électriques.

Tout d’abord le terme DIODE , qui désigne un composant à deux électrodes, polarisé (il y a une électrode positive : anode et une négative : cathode..). Une diode est un assemblage (jonction) d’au moins 2 matériaux semi-conducteurs** de nature différente . Elle ne laisse passer le courant que dans un seul sens et se décrit par une courbe Caractéristique Tension/courant de la forme suivante :

** dans le cas des leds il s’agit souvent d’aluminium indium gallium ou d'indium gallium nitrite (blanche)


Pour relever expérimentalement cette courbe on peut réaliser le montage suivant : Le générateur peut être une alimentation variable, MAIS en aucun cas le courant indiqué par l’ampèremètre ne devra dépasser le courant acceptable par la LED (voir fiche de caractéristiques : DATA SHEET : max. forward current)



On remarque un coude sur cette courbe qui représente la variation du courant dans la led en fonction de la tension à ses bornes. Il est situé du coté des tensions positives ou directes - car appliquées dans le sens de conduction de la diode (courbe rouge )- : il s’agit donc d’une caractéristique NON LINEAIRE.

Ce coude " démarre " à une tension VS dite de SEUIL : en deçà pratiquement aucun courant ne passe dans la led et au delà on voit que la tension varie relativement peu mais que le courant augmente rapidement à cause de la pente importante de la courbe : Faisons un " ZOOM " : pour une augmentation de 10 % de la tension le courant va varier de 50 % par exemple ! ce qui montre le DANGER de commander une LED en tension : pour une faible variation de la tension on risque d’avoir un courant qui peut détruire la led. Donc une résistance en série est indispensable , sauf si on utilise un générateur de courant.


Autre point remarquable (courbe bleue : zone interdite !): VZ dite " tension inverse de Zener ", qui ne sert à rien dans le cas de la led et sera même nuisible (par contre elle est exploitée dans des diodes stabilisatrices de tension appelées Diodes ZENER ). On l’appelle aussi " tension d’avalanche " ce qui décrit bien le phénomène : le courant inverse augmente encore plus rapidement avec la tension (inverse) que dans le coude direct  et s’ensuit une destruction de la jonction !. Chez les LED cette tension inverse est assez basse de l’ordre de 5 volts : donc une led branchée en inverse (par erreur et sans limitation du courant ) sera détruite ! Idem si on l’alimente en alternatif….

Technologie des leds :

Du matériau semi conducteur utilisé va dépendre la couleur de la led, qui n’est pas monochromatique , mais présente un pic assez étroit , centré sur une certaine longueur d’onde (couleur) : exprimée en nanomètres : Répartition spectrale des couleurs de leds : (il peut y avoir quelques variations dans la position du pic selon le matériau réel ) :


Donc pour obtenir une led Blanche : il existe deux technologies actuellement :

A - associer 3 leds élémentaires pour une synthèse additive de couleur : les trois couleurs primaires Vert , rouge et bleu , dans un même boîtier . Une matière diffusante permet de mieux mélanger les couleurs : leds ‘classiques ‘de 20 mA de consommation et de 8000 milli candelas

B- utiliser une led bleue (émission plus énergétique ) pour exciter une couche de matériau fluorescent déposée sur celle ci (principe des luxeon LUMILED ™  : la diode est réalisée sur une plaque métallique qui permet de mieux dissiper les calories : le courant en effet peut atteindre 350 ou 700 mA et même 1 A selon les modè 1, 3 ou 5 watts ); Ci dessous constitution d'une led de 5 mm (petite puissance, encore que des modèles de ce type puissent atteindre 50 000 milli cda) :


Diagramme de rayonnement : les leds sont fournies avec un diagramme de rayonnement spatial qui donne la répartition de l’intensité lumineuse à partir de leur axe optique . Les leds en boîtier 5mm ont des diagrammes utiles entre 15 et 30 ° : En général plus l’angle est petit plus le flux lumineux sera concentré : voici le cas d'une led 5 mm

Les leds type Luxeon ™, qui ont une autre conception, donnent un angle beaucoup plus large de l’ordre de 80 ° mais la répartition lumineuse peut être aussi plus complexe : lambertian ou bat wing.
Le diagramme Lambertian est mieux adapté à la microscopie :

Autre particularité : la baisse d’efficacité lumineuse si la jonction (interne) s’échauffe sous l’effet du courant : attention la température atteinte par le boîtier est toujours nettement inférieure à celle de la jonction qui est à l’intérieur car il s’interpose des résistances thermiques dues au contacts des divers matériaux. D’ou l’importance d’évacuer le plus de chaleur possible du boîtier en le montant (s’il est métallique) au contact d’un bloc d’aluminium servant de radiateur et en interposant une graisse conductrice de la chaleur : exemple ci dessous : pour une augmentation de température de jonction de 50° on perd 20 % d’éclairement.

 

Exemple de calcul : la température de jonction est donnée par Tj = Ta +P*Rja

Ta : température ambiante (20°)

P : puissance dissipée dans la led (VS*I) par exemple 1 watt

Rja = Résistance thermique Jonction/ambiance = Rjonction/boitier + Rboitier/radiateur + Rradiateur/ambiance .

Rjb= 15°/W pour une lumiled

Un petit radiateur a une Rra de 10 °/watt, Rbr en utilisant de la graisse thermique est de l’ordre de 1

Donc Tj= 20 + 1 * (15+10+1) = 46° : acceptable

Reprenons avec une led de puissance 3 watts : P = 3 watt : Tj= 20 +3*(15+10+1) =
 

98 ° !! soit une perte de plus de 30 % de lumière . De plus danger : car on s'approche de la température limite de la jonction qui est de 120° C

Conclusion rien ne sert de faire la course à la puissance si l’on ne peut pas évacuer convenablement les calories (la surchauffe réduit aussi la durée de vie de la led !) . La résistance thermique Rra des radiateurs est donnée par leur constructeur

Comment alimenter les leds ? : en courant continu toujours, en utilisant soit une alimentation réglable de tension supérieure au seuil VS (bien évidemment !) - avec résistance en série - soit une alimentation réalisée de toutes pièces (pour des courants jusqu’à 300 mA,) soit un driver spécial (pour les Lumileds) qui est en réalité un générateur de courant : même en court circuit il ne donnera pas plus de 350 ou 700 mA (selon le modèle)

Un exemple de réalisation simple (voir article "  électronique et microscopie " ) : avec un régulateur de tension intégré : (sortie variable ). Le circuit LM 317 doit être monté sur radiateur (plaque d’alu de 10 x 10 cm). Attention le boîtier métallique du 317 est relié à la masse !

 

Variante avec le même régulateur utilisé en régulateur de courant. (courant fixe) pour une led de 1 watt.

Au delà de 1 watt, il est préférable d’utiliser les drivers spéciaux prévus pour les luxeon ™.

 

Quelques conseils, si vous utilisez par exemple le transformateur intégré dans votre microscope : vérifier que la prise secteur est bien débranchée avant toute intervention sur le transformateur !

1 - S’assurer que l’alimentation de l’ancienne ampoule est bien en CONTINU : il doit y avoir un pont redresseur (sinon le prévoir)

2 -Et qu’elle est bien FILTREE (condensateur de 2200 microfarads par exemple à la sortie du pont ) sinon vous aurez des barres sombres horizontales sur l’image de la Webcam

3 – calculer la résistance nécessaire à placer en série avec la led en fonction de la tension Maximale délivrée par le microscope :

 
  Exemple:  

Alimentation 0 à 12 volts (attention : bien mesurer : elle fait peut être 14 volts ou plus !!! en l’absence de l’ampoule ) et Led 100 mA, (soit 0,1 ampères) , seuil de 3,9 volts

Calcul résistance : (12 - 3,9 ) / 0,1 = 81 ohms – valeur normalisée la plus proche : 82 ohms ou 100 (prendre 100 si on trouve 14 volts au lieu de 12 !!) **

Calcul de la PUISSANCE dissipée dans la résistance (chaleur ) P = RI² : 82 * 0,1² = 0,82 watts : prendre une résistance d’AU MOINS 1 Watt (2 W c’est mieux !)

NB : les feuilles de caractéristiques des leds donnent parfois une information supplémentaire :

Peak pulse forward current * = 100 mA
* pulse condition of 1/10 duty and 0,1 ms width

pour une led de courant nominal 20 mA par exemple

Cela signifie que l’on pourrait alimenter une led avec un courant pulsé de 100 mA de valeur crête avec le facteur de forme suivant : Le courant MOYEN n’est que de 10 mA , mais la fréquence de répétition doit être telle que la LED puisse refroidir entre deux impulsions. Information donnée pour mémoire, délicate à mettre en œuvre, et SURTOUT pour ne pas laisser croire que l’on peut alimenter une led 20 mA sous 100 mA de manière continue !

Utilisation de Leds de couleurs :

Des essais d’éclairage en led bleue (image obtenue monochrome à convertir en noir en blanc) devraient permettre - théoriquement - d’améliorer la résolution (pouvoir séparateur) puisque celui ci dépend de la longueur d’onde et que le bleu (400 nm) a une longueur d’onde plus faible que le rouge (800 nm) Donc théoriquement un gain de deux fois.

En tout cas on peut vérifier l’inverse en éclairant en Infra Rouge (vers 950 nm) ! il y a perte de résolution , par contre les infra rouges ont la faculté de mieux traverser certaines structures opaques (insectes en particulier) et on peut obtenir des résultats intéressants : détail d’une puce (l’image de gauche est en négatif : effet ‘rayons x’ - celle de droite montre une saturation du capteur par les zones claires...).Il est à noter que la mise au point doit être refaite en se servant de l'image temps réel sur l'écran, lorsqu'on éclaire en IR, car le point de focalisation n'est pas le même qu'en lumière visible .la LED IR est identique à celle de télécommandes TV.

Voici donc pour l’aspect électronique. Mais le montage mécanique de la led dans le système optique du microscope est essentiel. La surface émissive de la led doit être exactement à la place du filament de l’ancienne ampoule. Et parfaitement centrée. Sinon le rendement sera bien moins efficace et il ne sert à rien d’avoir une led super puissante dont 50 % de la lumière se perd inutilement  ! De nombreux articles du Forum donnent des exemples de réalisation mécanique. Le plus complexe étant souvent de loger le radiateur (indispensable pour des leds de puissance de 1 watt et plus…). Attention avec les petites leds de 5 mm à sorties par fils elles peuvent être légèrement décentrées…

Avertissement: les leds deviennent de plus en plus puissantes, éviter de les regarder directement et penser à diminuer l’éclairage de votre microscope pour ne pas fatiguer vos yeux. En général il suffit de ‘pousser’ l’éclairage uniquement lors des prises de vues…

N’essayez JAMAIS un éclairage par pointeur laser, même en épiscopie : DANGER de lésions oculaires irréversibles. Idem avec les leds UV (il commence à y en avoir,) le rayonnement UV est invisible et dangereux pour l’œil.

 

 

 
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